抽吸式挖泥是在船上进行的工业过程。吸力挖泥船将液压、机械和电子部件结合在一起，将海床上的沙子提取出来，并将其移动到另一个位置，以建造岛屿、扩大港口、加深航道或恢复海滩(图1)。
图1。吸泥船。
挖泥船机械的传统控制器设计分为两个硬件平台：传感器监控和驱动过程在PLC上实现，而更复杂的算法在PC工作站上实现。然后在调试和海上试验期间对这两个系统进行广泛测试。
我们的工程团队采用了一种新方法，利用了现代plc上强大的处理核心。我们使用基于模型的设计与MATLAB®和Sim万博1manbetxulink®开发完整的控制器，并在单个PLC上实现。然后，我们使用在第二台PLC上运行的物理系统的Simscape™模型运行硬件在环(HIL)测试。
尽管我们对基于模型的设计和挖泥船控制应用还不熟悉，但在四个月内，我们只有三名工程师的团队完成了一个原型控制器，能够将安装在30米吸管上的挖泥船头部保持在其目标深度的五厘米以内（图2）。我们开发的工厂模型现在作为挖泥船的数字孪生设备，使我们能够完成船舶的虚拟调试。
图2。带有两个旋转接头的30米吸入管。
建模与桌面仿真
在项目的第一阶段，我们对控制系统的两个核心模块进行建模：吃水和负荷监测（DLM）和吸入管定位监测（STPM）。DLM模块实时测量船舶吃水和船舶载荷的当前状态，并使用这些测量值计算纵倾和横倾。STPM模块计算并监控吸管和挖泥船头的位置。该模块是系统中最复杂的模块之一，因为它使用来自测斜仪、压力传感器和其他传感器的测量值来执行复杂的变换，包括旋转和平移。这些计算确定了固定吸入管的电缆缩回或伸展的程度。
在下一阶段，我们对自动拖头绞车控制(ADWC)模块进行了建模，该模块保持了绞车的位置draghead(安装在吸沙管末端的集沙器)。该模块负责启动船舶的绞盘，并控制一个膨胀补偿器，以抑制由波浪作用引起的船舶振荡，以确保拖曳头与地面接触。
在设计控制器时，我们用Simscape和Simscape多体建立了对象的物理模型™ （图3）。单个团队成员专注于特定物理领域的设计方面。例如，一名成员研究机械连杆和接头，另一名成员研究电机和电气子系统，另一名成员研究液压系统。完整的电厂模型涵盖了所有这些物理领域，包括一个船舶模型。因此，我们能够模拟整个系统，以了解当船舶荷载和浮力中心发生变化时，所有部件如何协同工作。
图3。顶部：吸入管的Simscape模型。底部：机械资源管理器视图。
我们将控制器和工厂模型结合起来，并在Simulink中运行闭环仿真，以验证DLM、ADWC和STPM模块的功能。万博1manbetx
代码生成和半实物仿真测试
在验证了桌面控制设计后，我们在PLC上进行了实时HIL测试。我们从控制器模型中生成C代码，并将其部署到Bachmann M1 PLC上，随后我们将使用相同的硬件在船上进行生产部署。我们还将Simscape模型转换为C代码，并将其部署到Beckhoff CX2040 PLC中，作为HIL测试中的实时模拟器。我们联系这两个制度,使控制器和植物模型实时交换传感器读数和驱动命令(图4)。我们使用这个设置测试控制器在不同的运行条件,包括许多困难或危险的测试在一个真正的船。
图4。控制PLC和工厂PLC连接在一起进行HIL测试。
我们创建了血管的3D动画，使我们能够在HIL测试期间查看血管和吸管的动态行为。我们使用带有动画的HIL设置向客户演示控件设计（图5）。在为期一天的演示中，我们触发了故障，并将模拟的船舶和吸入管置于极端条件下，以显示控制器如何响应。基于成功的演示，客户批准我们继续进行生产设计。
图5。带有挖泥船3D动画的HIL测试设置
虚拟调试与数字孪生兄弟
在正式调试开始之前，我们使用我们的HIL设置(控制器和设备运行在plc上)作为数字孪生，在我们的办公室完成了许多调试测试。如果没有数字双胞胎，我们就得在实际的飞船上进行所有这些测试。在正式调试期间，我们与机载团队合作解决控制器设计方面的问题。当船上的团队检测到问题时，我们可以用数字孪生系统复制问题，更新控制器模型，验证数字孪生系统的修复，然后向船上发送更新。
数字孪生使Ingeteam能够提前完成调试，控制系统现在在三艘船上运行。我们目前正在使用基于模型的设计和基于PLC的HIL测试以及数字孪生，以加速重型起重船控制系统的开发。
